基于ARM9的多行列鍵盤(pán)設(shè)計(jì)及其驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

1  引  言

許多嵌入式系統(tǒng)，尤其是一些人機(jī)交互（HMI）較頻繁的嵌入式系統(tǒng)，鍵盤(pán)是一種應(yīng)用最為廣泛的輸入設(shè)備。由于嵌入式設(shè)備的功能互異性，為其提供一種通用性鍵盤(pán)是不可行的，一般都需要根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的實(shí)際功能來(lái)設(shè)計(jì)所需的特殊鍵盤(pán)，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。

在嵌入式設(shè)備上擴(kuò)展鍵盤(pán)的常用方式是通過(guò)使用CPU的GPIO端口掃描實(shí)現(xiàn)的，顯然，這種方式會(huì)占用系統(tǒng)的GPIO資源，特別是在GPIO資源比較緊張而按鍵又較多的系統(tǒng)，這個(gè)問(wèn)題就特別突出。當(dāng)然，也可以通過(guò)外擴(kuò)GPIO（如8255等）或外擴(kuò)專(zhuān)用的鍵盤(pán)接口（如8279等）方式實(shí)現(xiàn)，但這種方式顯然增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)中頗感不便。

本文以在ARM9（AT91RM9200）嵌入式微處理器上實(shí)現(xiàn)一個(gè)POS機(jī)鍵盤(pán)（8×8）為例，呈現(xiàn)了一種在嵌入式設(shè)備上擴(kuò)展多行列鍵盤(pán)的新設(shè)計(jì)思路，并在ARM-Linux系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了鍵盤(pán)的驅(qū)動(dòng)程序。

2、接口電路的硬件設(shè)計(jì)

本文通過(guò)一個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)例，說(shuō)明如何使用一種比較簡(jiǎn)單的方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)8×8的POS機(jī)矩陣鍵盤(pán)，POS機(jī)所采用的微處理器是AT91RM9200芯片。AT91RM9200是ATMEL公司生產(chǎn)的一款高性能的32位ARM9處理器，它是一款通用工業(yè)級(jí)ARM芯片，在工業(yè)控制、智能儀器儀表等領(lǐng)域內(nèi)得到了大量的應(yīng)用[3,4]，其詳細(xì)芯片特性可參見(jiàn)文獻(xiàn)[2]。

在AT91RM9200上擴(kuò)展鍵盤(pán)，一般都是通過(guò)其GPIO端口來(lái)實(shí)現(xiàn)。AT91RM9200雖提供了4×32個(gè)可編程的GPIO端口。但為減小芯片體積和功耗，其許多GPIO端口都是與系統(tǒng)的外圍設(shè)備控制器端口或地址線(xiàn)、數(shù)據(jù)線(xiàn)進(jìn)行復(fù)用的，所以實(shí)際可用于擴(kuò)展的GPIO端口是很少的。而對(duì)于一個(gè) 8×8鍵盤(pán)，若采用傳統(tǒng)的GPIO端口擴(kuò)展方式，則需要16個(gè)GPIO，這在一個(gè)比較復(fù)雜的POS系統(tǒng)中是很難滿(mǎn)足的，因此需要采用其他方式來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

圖1  鍵盤(pán)接口原理圖

本文通過(guò)數(shù)據(jù)鎖存的方式，充分利用32位處理器的數(shù)據(jù)寬度優(yōu)勢(shì)，使用數(shù)據(jù)線(xiàn)來(lái)替代鍵盤(pán)擴(kuò)展所需的GPIO端口，從而減少對(duì)系統(tǒng)GPIO資源的占用。鍵盤(pán)接口的實(shí)現(xiàn)原理如圖1所示。在圖1所示的電路中，U1301（74LVCC4245）為三態(tài)緩沖器，U1302（74HC574）為鎖存器，系統(tǒng)工作原理描述如下：

U1301的nOE端連接系統(tǒng)的譯碼輸出nKey_CS，部件地址由系統(tǒng)譯碼電路決定，當(dāng)向該地址寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，nKey_CS信號(hào)為低電平，數(shù)據(jù)可以通過(guò)U1301，同時(shí)，nKey_CS信號(hào)經(jīng)兩級(jí)反相器延時(shí)后作為鎖存信號(hào)將數(shù)據(jù)鎖存到U1302的輸出端，作為鍵盤(pán)的行掃描信號(hào)，而鍵盤(pán)的列掃描信號(hào)則仍然使用系統(tǒng)的GPIO。依次向每行送出低電平信號(hào)，同時(shí)檢測(cè)連接在GPIO的列信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵盤(pán)的掃描。在本系統(tǒng)中，只使用了系統(tǒng)32位數(shù)據(jù)的低8 位作為行掃描信號(hào)，在實(shí)現(xiàn)8×8矩陣鍵盤(pán)掃描的情況下，僅需要占用8個(gè)GPIO口，如果采用同樣的方式，分別使用16位數(shù)據(jù)或32位數(shù)據(jù)作為行掃描信號(hào)，則只需要占用4個(gè)或2個(gè)GPIO，顯然，與傳統(tǒng)的方式相比較，該方式可以大大節(jié)省系統(tǒng)的GPIO資源。

3、鍵盤(pán)的驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)

完成接口電路的設(shè)計(jì)之后，還需要編寫(xiě)相應(yīng)的鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)模塊。本文采用AT91RM9200芯片中已經(jīng)運(yùn)行了ARM-Linux操作系統(tǒng)，因此給鍵盤(pán)的驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)提供了很大的方便。鍵盤(pán)的驅(qū)動(dòng)模塊可分為硬件初始化、文件操作函數(shù)的實(shí)現(xiàn)以及鍵盤(pán)掃描程序三個(gè)部分。

3.1  硬件初始化

鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)模式與Linux系統(tǒng)中一般字符設(shè)備的驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)步驟相似，關(guān)于Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)的詳細(xì)分析可參考文獻(xiàn)[1]。首先需完成的是驅(qū)動(dòng)程序模塊的初始化函數(shù)和清除函數(shù)。在初始化函數(shù)中，除完成模塊注冊(cè)外，還應(yīng)進(jìn)行硬件初始化，下面是本文根據(jù)AT91RM9200芯片的GPIO控制器的特性[2]，在模塊的初始化函數(shù)中的硬件初始化的偽代碼。
……
設(shè)置所使用GPIO端口為GPIO控制器控制
設(shè)置所使用GPIO端口的類(lèi)型為輸入
使能所使用GPIO端口的輸入毛刺濾波功能
使能相應(yīng)的GPIO控制器時(shí)鐘
取指定地址的虛擬地址并向地址寫(xiě)入數(shù)據(jù)0x0
……

3.2  文件操作函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

因?yàn)殒I盤(pán)在系統(tǒng)中一般只起輸入作用，因此在鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序的file_operations結(jié)構(gòu)中，必須實(shí)現(xiàn)的文件操作函數(shù)只有文件讀函數(shù)。

另外在實(shí)際應(yīng)用中，為防止鍵盤(pán)按鍵的丟失，被按下鍵的掃描代碼通常都放置在一個(gè)緩沖區(qū)內(nèi)，直到應(yīng)用程序準(zhǔn)備處理一個(gè)按鍵為止。緩沖區(qū)大小一般視應(yīng)用系統(tǒng)的需求而定，本例中緩沖區(qū)大小取為20個(gè)按鍵代碼。而緩沖區(qū)的實(shí)現(xiàn)是以一個(gè)環(huán)形隊(duì)列的形式實(shí)現(xiàn)。當(dāng)按鍵按下后，掃描代碼將被放置在隊(duì)列的下一個(gè)空位置，若緩沖區(qū)已滿(mǎn)，則下一按鍵將會(huì)被丟棄。應(yīng)用程序則通過(guò)鍵盤(pán)的讀函數(shù)read()從緩沖區(qū)的位置指針處起，讀取所需個(gè)數(shù)的鍵碼；完成讀取操作后，還需將已被讀取的鍵碼從緩沖隊(duì)列中刪除，并更新緩沖區(qū)的位置指針。下面給出了本例中，實(shí)現(xiàn)的鍵盤(pán)讀函數(shù)key_read()的偽代碼：
ssize_t key_read(……)
{
定義并初始化變量；
if 緩沖區(qū)中可被讀取的鍵碼數(shù)大于0；
    取得鍵碼放置緩沖區(qū)的自旋鎖；
    計(jì)算此次讀操作可讀取的代碼個(gè)數(shù)M（緩沖區(qū)中可讀取的代碼個(gè)數(shù)與程序要求個(gè)數(shù)之間的較小者）；
    從緩沖區(qū)位置指針開(kāi)始，從緩沖區(qū)中拷貝M個(gè)的鍵碼到用戶(hù)空間緩沖區(qū)內(nèi)；
    更新緩沖區(qū)的位置指針和緩沖區(qū)中還剩余的鍵碼個(gè)數(shù)；
    釋放自旋鎖
    返回此次讀操作成功讀取的代碼個(gè)數(shù)。
  Else
返回-1
}

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3.3  鍵盤(pán)掃描程序

鍵盤(pán)的工作原理是通過(guò)鍵盤(pán)的行線(xiàn)和列線(xiàn)的狀態(tài)來(lái)判斷鍵盤(pán)中有無(wú)按鍵被按下。鍵盤(pán)掃描程序的功能就是用來(lái)判斷處于按下?tīng)顟B(tài)的按鍵的具體位置及取得相應(yīng)的鍵碼值，因此掃描程序的設(shè)計(jì)是鍵盤(pán)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)的核心。

鍵盤(pán)掃描程序的實(shí)現(xiàn)主要有兩種，即輪詢(xún)方式和中斷方式[5]。在本例中，利用操作系統(tǒng)定時(shí)器隊(duì)列與輪詢(xún)掃描方式結(jié)合的方法對(duì)鍵盤(pán)的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)，主要是基于以下兩個(gè)方面的原因。其一是AT91RM9200芯片的中斷信號(hào)線(xiàn)是非常寶貴的硬件資源，每一組GPIO端口只配置了一根中斷信號(hào)線(xiàn)，即32個(gè)GPIO端口共享一條信號(hào)線(xiàn)。這樣若采用中斷方式，則至少需要占用一條芯片中斷信號(hào)線(xiàn)，對(duì)多行列的鍵盤(pán)，如果其所采用的 GPIO端口不是來(lái)自于同一組時(shí)，就需要占用多條中斷信號(hào)線(xiàn)。而且若其他設(shè)備使用的GPIO端口與鍵盤(pán)使用的GPIO口屬于同一組，那么在兩種設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)中，必須進(jìn)行中斷共享，這樣不僅使系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，且易產(chǎn)生中斷丟失和中斷竟態(tài)等問(wèn)題，使設(shè)備性能受到影響。其二鍵盤(pán)是系統(tǒng)中屬于一種相對(duì)低速的設(shè)備，采用輪詢(xún)方式完全可以滿(mǎn)足鍵盤(pán)的輸入要求。

ARM-Linux操作系統(tǒng)提供了良好的定時(shí)器機(jī)制，因此通過(guò)簡(jiǎn)單定時(shí)器操作，就可以實(shí)現(xiàn)以固定間隔對(duì)鍵盤(pán)的狀態(tài)進(jìn)行掃描并對(duì)按鍵事件進(jìn)程處理，固定間隔的大小可根據(jù)系統(tǒng)需求進(jìn)行配置，定義器的詳細(xì)操作可參見(jiàn)文獻(xiàn)[1]。如前所述，鍵盤(pán)掃描程序的功能就是對(duì)鍵盤(pán)的狀態(tài)進(jìn)行判斷和處理。若無(wú)按鍵按下，則掃描直接返回；若有按鍵按下，則對(duì)被按下鍵的位置進(jìn)行判斷，并將相應(yīng)的鍵碼值寫(xiě)入緩沖區(qū)中。因?yàn)楸纠械逆I盤(pán)是為POS機(jī)配置，因此按鍵的準(zhǔn)確性是至關(guān)重要，因此在掃描代碼中對(duì)按鍵值進(jìn)行了多次驗(yàn)證，下面是本例中使用的鍵盤(pán)掃描程序的偽代碼：
int Scan_Keyboard()
   {

定義并初始化變量；

取得鍵碼放置緩沖區(qū)的自旋鎖；

if   緩沖區(qū)中還有空；

① 依次判斷各GPIO口的狀態(tài)，若無(wú)低電平，則無(wú)鍵按下，直接退出if語(yǔ)句；否則，有鍵按下，且當(dāng)前檢驗(yàn)的GPIO口連接的行線(xiàn)即為按鍵所在的行；

② 給鍵盤(pán)列線(xiàn)連接的數(shù)據(jù)線(xiàn)依次送入高電平，再通過(guò)判斷按鍵行線(xiàn)所在的GPIO端口的電平狀態(tài)，得到按鍵所在的列；

延時(shí)一小段時(shí)間，以消除鍵盤(pán)抖動(dòng)；

③ 再向給鍵盤(pán)列線(xiàn)連接的數(shù)據(jù)線(xiàn)全送低電平，使用代碼段①再次判斷是否有鍵按下，若有，則取得按鍵所在的行；

④ 同樣使用代碼段②重新判斷按鍵所在的列；

⑤ 判斷第一次得到的按鍵的行與列是否與第二次完全一樣，若完全相同，則可進(jìn)入下一步，否則退出if語(yǔ)句；

⑥ 重新向給鍵盤(pán)列線(xiàn)連接的數(shù)據(jù)線(xiàn)全送低電平，并判斷按鍵是否彈起，若仍處于按下?tīng)顟B(tài)，則繼續(xù)等待，否則根據(jù)行與列，轉(zhuǎn)化為相應(yīng)鍵值，并寫(xiě)入緩沖區(qū)；

if語(yǔ)句結(jié)束；

釋放自旋鎖；

函數(shù)返回 0；
}

完成驅(qū)動(dòng)程序代碼編寫(xiě)后，就可以將鍵盤(pán)的驅(qū)動(dòng)程序加載到ARM-Linux內(nèi)核中了，既可以采用靜態(tài)加載方式，也可以采用動(dòng)態(tài)方式進(jìn)行加載。加載后，在應(yīng)用程序中鍵盤(pán)的編程使用方式與其他字符設(shè)備一樣。采用本文所述方式設(shè)計(jì)的鍵盤(pán)，目前已配置在筆者參與開(kāi)發(fā)的POS機(jī)中交用戶(hù)使用，據(jù)用戶(hù)測(cè)試，鍵盤(pán)的輸入準(zhǔn)確率和反應(yīng)時(shí)間都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

4、結(jié)束語(yǔ)

本文以運(yùn)行ARM-Linux的AT91RM9200系統(tǒng)為基礎(chǔ)，提出了一種在ARM9上擴(kuò)展特殊鍵盤(pán)的新設(shè)計(jì)方法，并對(duì)鍵盤(pán)擴(kuò)展的硬件設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)軟件開(kāi)發(fā)都作了詳細(xì)說(shuō)明。本設(shè)計(jì)方法利用數(shù)據(jù)鎖存方式替代了常規(guī)的GPIO擴(kuò)展，提高了系統(tǒng)硬件的資源利用率，這一思想也為在其他嵌入式設(shè)備擴(kuò)展多行列鍵盤(pán)提供了一種新的設(shè)計(jì)思路。
 
參考文獻(xiàn)
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